基于PLC的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)與設(shè)計(jì)

沈燦鋼，黃振華

1.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇江陰，214405；2.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰，214405

0 引言

機(jī)器人發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了極多的分支，爬桿機(jī)器人因其實(shí)用性而成為機(jī)器人家族中一個(gè)較大規(guī)模的分支。爬桿機(jī)器人種類眾多，按照行動(dòng)方式可以分為輪式、蠕動(dòng)式等，按照驅(qū)動(dòng)方式可以分為電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓等不同能源驅(qū)動(dòng)的爬桿機(jī)器人，可見爬桿機(jī)器人家族規(guī)模之大，而且通過不同功能以及不同能源的組合又可以誕生更多新型的爬桿機(jī)器人。像東京大學(xué)研制出了可以在多種環(huán)境下工作的，可以輕松跨越平行桿和繞L型桿爬行的關(guān)節(jié)型行走機(jī)器人。國(guó)內(nèi)如清華大學(xué)也研發(fā)出了采用不同機(jī)構(gòu)控制的爬桿機(jī)器人，但該機(jī)器人只可以單向爬行，并且局限過大、設(shè)備成本過高。

爬桿機(jī)器人種類眾多，但大多受到環(huán)境的局限，工作范圍受限，只能局限在一種特定的環(huán)境工作，像管道等特殊環(huán)境還無法進(jìn)入進(jìn)行工作。且設(shè)備成本以及維護(hù)成本過高、耗能過大也一個(gè)主要問題。目前國(guó)內(nèi)外還沒能研制出工作范圍較萬能并且功率大耗能低的機(jī)器人，這類機(jī)器人需求很大。

1 氣動(dòng)爬桿機(jī)器人的控制方案

本文根據(jù)人體肢體運(yùn)動(dòng)模擬人體爬行動(dòng)作，設(shè)計(jì)出一種使用氣動(dòng)作為清潔能源的仿人體爬行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該設(shè)計(jì)采用西門子S7-200 PLC進(jìn)行編程控制、昆侖組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，使用電磁閥組與其他氣動(dòng)元件組合，從而構(gòu)建出一個(gè)優(yōu)秀的控制監(jiān)控系統(tǒng)，可以及時(shí)監(jiān)控并反饋爬桿機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以實(shí)行高準(zhǔn)確度的控制，提高精確度降低錯(cuò)誤率[1]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)圖

2 氣動(dòng)爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

爬桿機(jī)器人的爬行結(jié)構(gòu)是由多氣缸組合而成的，從而可以實(shí)現(xiàn)爬行運(yùn)動(dòng)，所有氣缸均具有高精度、短行程的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人主要由三個(gè)部分組成[2]：前后臂爬行、夾緊結(jié)構(gòu)、體形爬行結(jié)構(gòu)，通過對(duì)前后臂的夾緊、釋放以及體形縮回伸出動(dòng)作的配合進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行功能。氣動(dòng)爬桿機(jī)器人采用了人體模擬設(shè)計(jì)，這個(gè)機(jī)器人由可移動(dòng)形體、多個(gè)傳感器以及控制系統(tǒng)等組合而成，可以模擬人類和生物行為[3]。且該機(jī)器人使用了多種電磁閥進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)控制，設(shè)有過行程緩沖裝置保護(hù)設(shè)備安全，同時(shí)設(shè)有限位行程開關(guān)裝置提供電信號(hào)反饋從軟件上保護(hù)設(shè)備安全[4]，如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

3 爬桿機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

3.1 電磁閥選型

采用亞德客4V 200系列的電磁閥，其接口口徑為8.5mm。工作特點(diǎn)：（1）安全性高；（2）操作簡(jiǎn)單，性價(jià)比高；（3）運(yùn)行速度快、功率較小、體態(tài)輕盈；（4）工作范圍受限；（5）種類多樣。這次設(shè)計(jì)爬桿機(jī)器人使用電壓為24V、電流為4.5A的電磁閥，實(shí)物如圖3所示。

圖3 電磁閥示意圖

3.2 爬桿機(jī)器人的氣缸

設(shè)計(jì)中采用了AIRTAC的2款氣缸，這2種氣缸結(jié)構(gòu)精密，控制精度高[5]。第一種是超薄氣缸，安裝于爬桿機(jī)器人的前后臂，為爬桿機(jī)器人爬行時(shí)提供抓力；第二種氣缸是亞德客TR16X50-S型號(hào)的雙軸氣缸，安裝于機(jī)器人軀干部位，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了體形縮回和伸出。爬桿機(jī)器人氣缸如圖4所示。

圖4 超薄氣缸和雙軸氣缸

3.3 氣動(dòng)爬桿機(jī)器人的氣動(dòng)控制系統(tǒng)

通過控制、執(zhí)行、輔助元件以及氣源裝置共同組成氣動(dòng)控制系統(tǒng)。爬桿機(jī)器人的氣動(dòng)原理如圖5所示，其中B1-B6都是磁感應(yīng)接近開關(guān)，分別位于前后臂氣缸的最上端和最下端以及體形氣缸的左右兩極限位置,其中前后臂都采用了相同的超薄氣缸，分別由3個(gè)電磁閥控制前臂、體形、后臂氣缸[6]。電磁閥裝在匯流板上構(gòu)成電磁閥組，每個(gè)電磁閥都獨(dú)立工作。PLC的接線圖如圖6所示。

圖5 爬桿機(jī)器人的氣動(dòng)原理圖

圖6 S7-226PLC接線圖

4 氣動(dòng)爬桿機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC軟件的地址分配表與流程圖

氣動(dòng)爬桿機(jī)器人在控制中采用PLC和觸摸屏結(jié)合的控制方式[7]，PLC的地址分配包含實(shí)物硬件按鈕和觸摸屏軟按鈕，氣動(dòng)控制閥分前臂加緊、后臂加緊、機(jī)器人形體伸出、機(jī)器人形體縮回，地址分配如圖7所示。

圖7 PLC地址分配表

軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。系統(tǒng)進(jìn)行初始化，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人軀體向右爬行，若碰到右限位停止運(yùn)動(dòng)，到達(dá)右極限位置延時(shí)停止；機(jī)器人軀體向左爬行，到達(dá)左極限位置延時(shí)停止[8]。

圖8 PLC程序流程圖

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

爬桿機(jī)器人向右運(yùn)動(dòng)爬行的程序如圖9所示。網(wǎng)絡(luò)3：爬桿機(jī)器人前臂夾緊、體形縮回2秒。網(wǎng)絡(luò)4：2s時(shí)間到后，爬桿機(jī)器人前臂夾緊、體形縮回復(fù)位且后臂夾緊、體形伸出。網(wǎng)絡(luò)5：爬桿機(jī)器人后臂夾緊、體形伸出2s。網(wǎng)絡(luò)6：2s時(shí)間到后，爬桿機(jī)器人后臂夾緊、體形伸出復(fù)位且前臂夾緊、體形縮回。網(wǎng)絡(luò)7：向右爬行，碰到行程右限位時(shí)，所有線圈復(fù)位，停止運(yùn)行[9]。

圖9 爬桿機(jī)器人向右運(yùn)動(dòng)爬行的程序

4.3 MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)和通信

組態(tài)畫面如圖10所示，在畫面設(shè)置完成后進(jìn)行通信連接，爬桿機(jī)器人控制器采用的是西門子200CPU226PLC。設(shè)置西門子通信端口為COM1，默認(rèn)參數(shù)為波特率9600。采用MCGS觸摸屏作為系統(tǒng)人機(jī)界面，使用標(biāo)準(zhǔn)的PPI/PC通信電纜或者RS232轉(zhuǎn)換器進(jìn)行PLC與組態(tài)串口的通信[10]。

圖10 爬桿機(jī)器人MCGS控制界面

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于西門子PLC和AIRTAC氣動(dòng)元件的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人實(shí)驗(yàn)臺(tái)。主要由前臂與后臂爬行結(jié)構(gòu)、前臂和后臂夾緊結(jié)構(gòu)、軀干結(jié)構(gòu)、緩沖保護(hù)裝置、邊界保護(hù)裝置、多點(diǎn)定位傳感器、特殊爬升桿結(jié)構(gòu)組成，氣動(dòng)電磁閥組合及輸入輸出口接口模塊。這次設(shè)計(jì)的是在平面上擬人爬行的爬桿機(jī)器人，通過前后臂夾緊爬行以及體形伸出縮回結(jié)構(gòu)完成機(jī)器人的爬行。本爬桿機(jī)器人實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)水平方向8m的往返運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度為140mm/min,在桿狀平臺(tái)上可以自由實(shí)現(xiàn)往返運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度可以調(diào)節(jié)。

爬桿機(jī)器人環(huán)保清潔，可以幫助人們完成特定的作業(yè)，是一種專門用于攀爬桿狀物的機(jī)器，可以協(xié)助或者代替人工完成一些高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)，如電線桿、交通燈上的作業(yè)等。爬桿機(jī)器人還可對(duì)5～15m的桿狀物體表面上漆或者加上電鍍層。